OC底層原理 06: isa結構分析

主動已經是我對熱愛東西表達的極限了

對象的本質？
聯合體位域的簡析？
isa的結構信息？
isa如何關聯類？
通過位運算驗證關聯類
總結。

  • 什么是對象？
    對象在底層變成了什么呢？

  • 什么是Clang?

Clang是一個由Apple主導編寫，基于LLVM的C/C++/Objective-C編譯器

  • 用Clang做些什么？

Clang 通過底層編譯，將一些m文件編譯為cpp。 因為OC為C++或者C的超集，通過Clang底層編譯，可以更多的看到底層的實現原理與邏輯和底層的架構

  • 如何使用Clang?

Clang終端操作四種命令如下：

clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp 把目標文件編譯成c++文件

`xcode`安裝的時候順帶安裝了`xcrun`命令，`xcrun`命令在`clang`的基礎上進行了 一些封裝，要更好用一些

xcrun -sdk iphonesimulator clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp (模擬器)

xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main- arm64.cpp (手機)

Clang 具體操作請查看：后續

通過Clang編譯查看類的底層是如何實現的，首先定義如下：

  @interface LGPerson : NSObject
  @property (nonatomic, copy) NSString *name;
  @end

  @implementation LGPerson
  @end

  int main(int argc, const char * argv[]) {
      @autoreleasepool {
          // insert code here...
          NSLog(@"Hello, World!");    }
      return 0;
  }

找到已經編譯好的main.cpp文件，搜索LGPerson，得到我想要的信息如下：

  #ifndef _REWRITER_typedef_LGPerson
  #define _REWRITER_typedef_LGPerson
  typedef struct objc_object LGPerson;
  typedef struct {} _objc_exc_LGPerson;
  #endif
  
  extern "C" unsigned long OBJC_IVAR_$_LGPerson$_name;
  struct LGPerson_IMPL {
          struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
      NSString *_name;
  };

  // @property (nonatomic, copy) NSString *name;
  /* @end */
   // @implementation LGPerson
  static NSString * _I_LGPerson_name(LGPerson * self, SEL _cmd) { 
        return (*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$_LGPerson$_name)); 
  }

  extern "C" __declspec(dllimport) void objc_setProperty (id, SEL, long, id, bool, bool);

  static void _I_LGPerson_setName_(LGPerson * self, SEL _cmd, NSString *name) {
      objc_setProperty (self, _cmd, __OFFSETOFIVAR__(struct LGPerson, _name), (id)name, 0, 1);
  }
  // @end
  • 對象在底層會被編譯為struct

那對象是如何被編譯為結構體的呢？

我們知道結構體在C++可以繼承，C可以偽繼承

偽繼承方式：
直接將NSObject結構體定義為LGPerson中的第一個屬性，意味著LGPerson 擁有 NSObject中的所有成員變量。
LGPerson中的第一個屬性 NSObject_IVARS 等效于 NSObject中的isa

這里將LGPerson_IMPL結構體中的第一屬性命名為當前結構體，即LGPerson_IMPL擁有 NSObject中的所有成員變量。而NSObject_IVARS即isa

而LGPerson類中的name的get, set方法也是一一對應的：

main.cpp中類對應的get,set方法截圖

而set方法調用了objc_setProperty，通過分析得出objc_setProperty采用工廠模式：return newValue, remove oldValue ；意味著任何類中的set方法都會執行了如下操作：

objc4_781源碼中找到objc_setProperty查看如何執行操作get , set

繼續分析isa結構，OC底層原理 結構體&聯合體

  • isa結構分析：

在之前探索 OC底層原理 alloc & init & new 篇 時提到過initInstanceIsa方法，通過initInstanceIsa為切入點來分析isa是如何初始化的，可以看到isa指針的類型isa_t定義是通過聯合體（union）來定義，聯合體不清楚的小伙伴請參考：OC底層原理 結構體&聯合體

union isa_t {
    isa_t() { }
    isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }

    Class cls; //這里返回的cls 為什么會是一個class類型？請查看后續
    uintptr_t bits;
#if defined(ISA_BITFIELD)
    struct {
        ISA_BITFIELD;  // defined in isa.h
    };
#endif
};

這里的isa_t為什么要定義成聯合體呢？是為了優化內存，而isa指針占用的內存大小為8字節，即64位，已經能夠存儲大量信息了，這樣可以節省內存空間，以提高性能的目的

而isa_t的定義中可以看出，
通過cls初始化，bits無默認值
通過bits初始化，cls有默認值
體現了聯合體的互斥性

通過宏ISA_BITFIELD可以看出isa在iOS（ __arm64__）和macOS（__x86_64__）的計算是存在差異的

isa不同環境的差異化截圖
  • isa的結構信息對應如下：

    • nonpointer:表示是否對 isa 指針開啟指針優化
      0:純isa指針；
      1:不止是類對象地址,isa 中包含了類信息、對象的引用計數等

    • has_assoc:關聯對象標志位，
      0沒有關聯對象
      1存在關聯對象

    • has_cxx_dtor:該對象是否有 C++ 或者 Objc 的析構器（類似于dealloc）
      如果有析構函數,則需要做析構邏輯
      如果沒有,則可以更快的釋放對象

    • shiftcls:存儲類指針的值（類的地址）， 即類信息。開啟指針優化的情況下，
      在 __arm64__ 架構中有 33 位用來存儲類指針。
      在 __x86_64__ 架構中有 44 位用來存儲類指針。

    • magic:用于調試器判斷當前對象是真的對象還是沒有初始化的空間

    • weakly_referenced:志對象是否被指向或者曾經指向一個 ARC 的弱變量
      沒有弱引用的對象可以更快釋放。

    • deallocating:標志對象是否正在釋放內存

    • has_sidetable_rc:當對象引用計數大于 10時，則需要借用該變量存儲進位

    • extra_rc:當表示該對象的引用計數值，實際上是引用計數值減 1， 例如，如果對象的引用計數為 10，那么 extra_rc 為 9。如果引用計數大于 10， 則需要使用 has_sidetable_rc

更直觀的isa的結構信息圖如下：

isa結構對照表

通過 initIsa方法，查看 isa指針是如何被初始化的

inline void 
objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor) 
{ 
    ASSERT(!isTaggedPointer()); 
    
    if (!nonpointer) {
        isa = isa_t((uintptr_t)cls);//isa初始化
    } else {
        ASSERT(!DisableNonpointerIsa);
        ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());

        isa_t newisa(0);  //isa初始化
#if SUPPORT_INDEXED_ISA  // !nonpinter 執行，即isa通過cls定義
        ASSERT(cls->classArrayIndex() > 0);
        newisa.bits = ISA_INDEX_MAGIC_VALUE;
        // isa.magic is part of ISA_MAGIC_VALUE
        // isa.nonpointer is part of ISA_MAGIC_VALUE
        newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
        newisa.indexcls = (uintptr_t)cls->classArrayIndex();
#else // bits 時執行的流程
        newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE; // bits進行賦值
        // isa.magic is part of ISA_MAGIC_VALUE
        // isa.nonpointer is part of ISA_MAGIC_VALUE
        newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
        newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3; //isa與類關聯
#endif
        // This write must be performed in a single store in some cases
        // (for example when realizing a class because other threads
        // may simultaneously try to use the class).
        // fixme use atomics here to guarantee single-store and to
        // guarantee memory order w.r.t. the class index table
        // ...but not too atomic because we don't want to hurt instantiation
        isa = newisa;
    }
}
  • initIsa方法主要使用：cls初始化isa,和bits初始化isa

執行代碼，開始驗證，以LGPerson為例：

對賦值newisa.bits賦值之后打印出newisa查看LLDB結果

p newisa 打印結果

  • 對賦值newisa.bits賦值會對cls進行追加；對cls賦值不會同時對bits進行賦值（聯合體互斥性）

通過LLDB打印結果，在進行賦值的時候，bits中的magic會存在一個59呢？
使用計算器查看宏ISA_MAGIC_VALUE與59的2進制

為什么magic為59

magic的占位為6，從47～52表示magic的占位，所以magic的默認值為59，二進制表示；也可以理解為isa指針將magic的占位為6，轉換為2進制存儲

  • isa與類關聯

當執行完如下代碼后，LLDB打印出當前newisa，
cls 與 isa 關聯原理就是isa指針中的shiftcls位域中存儲了類信息，其中initInstanceIsa的過程是將 calloc 指針 和當前的 類cls 關聯起來。而newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3 是將當前cls 強轉為系統能夠編譯的0，1識別碼。然后右移3位。之所以要移動3位，要知道shiftcls才是我們需要存儲的類信息，從上面isa對照表中可以看出，前面三位并不是我們需要的類內容，需要右移3位進行抹0操作。

newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3; //isa與類關聯
isa與類關聯結果圖

這個時候我們已經知道isa 與類 進行了關聯。

  • 開始驗證isa中的shiftcls是否真正的存儲了當前類信息

將initInstanceIsa方法返回出去，然后開始驗證：

  • 方式1. 通過isa指針地址與宏ISA_MSAK 的值 通過位運算& 來驗證
      #   define ISA_MASK        0x00007ffffffffff8ULL    //__x86_64__ 
  #   define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL    //__arm64__
    LLDB 操作：po obj ,然后x/4gx LGPerson的地址 或者直接x/4gx，然后取LGPerson的isa地址指針 & 宏ISA_MASK，結果如下：
    位運算驗證
  • 方式2. 使用位運算驗證
    shiftcls存儲在當前3～46位，
    向右移動3位，抹除0～2號位數據，
    向左移動20位，移除47～64號位的數據，
    向右移動17位，回到原來的shiftcls所在的存儲位，直接取出，即LGPerson 類信息
    位運算操作截圖
  • 方式3. 通過runtime的object_getClass來驗證
    在main.m導入頭文件#import <objc/runtime.h>，然后直接打印出當前的類也能夠驗證，這里就不打印了，直接去查看object_getClass的實現，
    object_getClass方法如下：
Class object_getClass(id obj)
{
    if (obj) return obj->getIsa();
    else return Nil;
}

我們進入getIsa方法繼續查看，

inline Class 
objc_object::getIsa() 
{
    if (fastpath(!isTaggedPointer())) return ISA(); //直接return了當前isa

    extern objc_class OBJC_CLASS_$___NSUnrecognizedTaggedPointer;
    uintptr_t slot, ptr = (uintptr_t)this;
    Class cls;

    slot = (ptr >> _OBJC_TAG_SLOT_SHIFT) & _OBJC_TAG_SLOT_MASK;
    cls = objc_tag_classes[slot];
    if (slowpath(cls == (Class)&OBJC_CLASS_$___NSUnrecognizedTaggedPointer)) {
        slot = (ptr >> _OBJC_TAG_EXT_SLOT_SHIFT) & _OBJC_TAG_EXT_SLOT_MASK;
        cls = objc_tag_ext_classes[slot];
    }
    return cls;
}

繼續查看ISA()做了哪些事情，

inline Class 
objc_object::ISA() 
{
    ASSERT(!isTaggedPointer()); 
#if SUPPORT_INDEXED_ISA
    if (isa.nonpointer) {
        uintptr_t slot = isa.indexcls;
        return classForIndex((unsigned)slot);
    }
    return (Class)isa.bits; //直接返回
#else
    return (Class)(isa.bits & ISA_MASK); //這里與我們方式1做的操作是一樣的
#endif
}

我們可以看出object_getClass的內部實現，也是采用了位運算&的方式對當前類進行處理。

驗證總結：驗證isa與類是否關聯還有其他方式，這里不一一闡述，有興趣的同學可以自己探索。

  • isa結構分析總結：
    1.isa通過isa_t方法進行初始化，其中使用到了聯合體位域；isa與類關聯的同時，做了強轉的操作和位運算計算存儲，其中newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;的uintptr_t表示long類型。
    2.x86_64和arm64環境不同，存在部分計算差異
    3.掌握如何對類和isa的關聯驗證
    4.如何使用Clang查看源碼。
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